Draaikolken in de plasticspuit

Slierten vloeibaar plastic die uit een machine worden gespoten, gaan op een gegeven moment altijd kronkelen en breken. Tenminste, dat beweren natuurkundigen....

Door Michael Persson

Het was, zoals dat gaat met revolutionaire inzichten, lastig om de ontdekking gepubliceerd te krijgen, zegt dr. Aleksander Morozov. 'We moesten vechten tegen ingenieurs die al vijftig jaar ervaring hebben met plastics. Die beschouwden ons als buitenstaanders, nietsnutten.'

Dat krijg je wanneer theoretisch natuurkundigen zich gaan bemoeien met een praktisch, industrieel probleem. Dat krijg je wanneer zij aankomen met een controversiële verklaring. En helemaal ALS die verklaring inhoudt dat het probleem eigenlijk onoplosbaar is.

Morozov is een van de Leidse en Parijse onderzoekers die, onder meer gesponsord door de stichting FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie), ontdekten dat plastic slierten altijd gaan kronkelen, zelfs kunnen breken, wanneer je ze te snel uit een machine perst. Ze publiceren hun experimentele resultaten deze maand in Physical Review Letters.

Met hun ontdekking raakte de groep een gevoelige snaar. De onderzochte perstechniek, extrusie genaamd, te vergelijken met het uitknijpen van een tube tandpasta, is jaarlijks verantwoordelijk voor ruim honderd miljoen ton plastic. Het gaat om polymeren, lange elastische moleculen, zoals nylon voor panty's en kevlar voor vliegtuigen. De Leidse conclusies hebben gevolgen voor de bestaande productiemethoden.

De extrusietechniek lijkt simpel. Bolletjes plastic worden verhit tot ze smelten. Vervolgens perst een soort zuiger de vloeibare massa door een smalle buis, waarna de straal die uit de buis komt wordt afgekoeld tot het spul weer hard is.

Het liefst zouden plasticproducenten de massa zo snel mogelijk door de buis duwen. Maar het probleem is dat de slierten op een gegeven moment als een soort worstjes gaan kronkelen, of zelfs breken. Dat fenomeneen, smeltbreuk, is al jaren bekend, maar de oorzaak werd altijd buiten de buis gezocht. Het zou liggen aan de chaotische toevoer bij de ingang van de buis, of aan het feit dat de polymeren aan de mond van de spuitbuis blijven plakken.

Kan best zijn, zegt prof. dr. Wim van Saarloos, van het Instituut-Lorentz van de universiteit Leiden en een van de initiators van het onderzoek, maar daarnaast is er een veel fundamentelere reden. 'Kleine verstoringen in de buis zelf kunnen ook tot breuk leiden.' Dan kan het gaan om een braam in de buis, of voetstappen in de buurt die bepaalde trillingen veroorzaken.

Het was de Nederlandse onderzoeker Daniel Bonn, verbonden aan de Ecole Normale Supérieure in Parijs en over een paar weken ook bijzonder hoogleraar aan de universiteit van Amsterdam, die inzag dat de verhouding tussen elastische en stroperige krachten op het moment dat de gesmolten polymeren breken, altijd ongeveer hetzelfde zijn. Van Saarloos was bij dat eureka-moment. 'Ik weet nog goed waar dat was: een bankje in Barcelona. Vanaf dat moment zijn we samen verder gegaan.'

Consequentie van dat inzicht was dat smeltbreuk inherent is aan de stroming in de buis. 'Boven een bepaalde kritische waarde groeit de verstoring altijd uit tot een probleem. En hoe sneller de stroming, hoe kleiner de verstoring die nodig is om problemen te veroorzaken.'

Er blijkt in de polymeermassa een soort turbulentie te kunnen ontstaan, wervelingen, zoals die in bijvoorbeeld water in het kielzog van een boot te zien zijn.

Volgens gangbare theorieën zijn gesmolten plastics eigenlijk te stroperig voor turbulentie, maar het lijkt erop dat de polymeren door hun elastieke springerigheid toch ook turbulent kunnen worden. Op die manier kan een verstoring tot een kronkel uitgroeien.

De Leidse theoretici stuurden hun artikel in eerste instantie naar het tijdschrift Physics of Fluids. Dat hadden ze beter niet kunnen doen. Ze kregen een vernietigende reactie. 'Ik heb nog nooit zo'n review gehad', bekent Van Saarloos.

Ook bij de Physical Review Letters kregen ze in eerste instantie afwijzende reacties. Pas in hoger beroep, na tussenkomst van een grote polymeerautoriteit, kregen ze het artikel geplaatst. Het eerste, theoretische stuk verscheen op 17 januari, de experimentele onderbouwing volgt over een paar weken.

'We schoppen een beetje tegen het establishment', zegt Van Saarloos, 'en ik geef toe, er is wel wat op de experimenten af te dingen.' Maar er kwam ook steun, uit onverdachte hoek: een onderzoeker van DSM, tevens hoogleraar in Twente, die denkt dat Van Saarloos een verklaring heeft gevonden voor een probleem dat onderzoekers hebben met computermodellen van het extrusieproces. 'Die modellen zijn erg instabiel. Ze dachten dat het aan hun software lag, maar nu lijkt het erop dat de software wellicht gewoon klopt, en dat de instabiliteit een fysische realiteit is.'

Binnenkort gaan we een keer praten met dr. Jacques Joosten, de onderzoeksdirecteur van DSM, zegt Van Saarloos. 'Ook al vormen onze conclusies voor de industrie eigenlijk een negatief resultaat, want wij zeggen dat verstoringen nooit helemaal te voorkomen zijn.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2022 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden